PLA是一種非天然聚酯，因其具有生物相容性、生物降解性和高機械強度等優異性能，被認為是最有前途的“綠色塑料”之一。PLA已廣泛用于一次性塑料制品。此外，PLA還可以廣泛應用于化學、醫療、制藥和3D打印行業?，F在人們越來越認識到 PLA 聚酯將在解決塑料污染問題方面發揮關鍵作用。
迄今為止，PLA主要通過丙交酯（乳酸的環狀二聚體）的開環聚合或乳酸的直接聚合組成的化學工藝生產。不幸的是，丙交酯和乳酸生產方法需要以糖為基礎的原料，導致 PLA 生產和食品供應之間的資源競爭。因此，必須使用非食用材料作為 PLA 生產的原料。由于工業活動和化石燃料的持續使用，過量的二氧化碳排放會加劇全球變暖和氣候變化。同時，二氧化碳也是最豐富的天然碳資源之一，最近被公認為第三代生物精煉廠的理想原料。因此，明智的做法是直接從二氧化碳生產 PLA 。
聚乳酸PLA合成的兩步法合成
近日，由上海交大陶飛研究員為通訊作者，上海交大博士生譚春林該論文的第一作者，發表于 《Green Chemisty》的論文“藍藻細胞工廠用于生產高性能生物降解塑料的直接碳捕獲”，利用藍藻細胞做底盤細胞，以二氧化碳為原料，成功直接合成PLA。通過系統代謝工程和高密度培養策略的結合，藍藻細胞工廠合成PLA的效率提高了約270倍。
1.藍藻做微生物底盤，合成PLA
藍藻已成為一種重要的微生物底盤，因為它們可以僅利用陽光和二氧化碳生產增值化學品。然而，與異養生物底盤相比，藍藻的生產濃度和生產力相對較低。這使得產品的收獲非常困難，尤其是當產生的化學物質被分泌到培養基中時，從而極大地限制了商業化進程。
人們普遍認為，光和/或二氧化碳的不足是藍藻生長速率和細胞密度低的原因。隨著 LED 技術的發展，可以在光反應器中提供可控的強光。同時，發電廠和鋼鐵廠廢氣中的濃縮二氧化碳也很容易獲得，可用作藍藻的碳源。因此，值得同時使用可定制的光照和濃縮二氧化碳來實現高密度培養 (HDC)，這對于提高藍藻生產力至關重要。
與乙醇、琥珀酸、甘油和 2,3-丁二醇等低分子量化學品相比，體內合成了種聚合物顆粒顯然更容易收獲。同時，使用聚電解質絮凝劑可以更方便、更經濟地收獲藍藻。因此，有理由認為在藍藻中生產聚合物比低分子量化學品更有希望用于工業過程。在這項研究中，PLA 產量從 0.4 mg L -1增加到 108.0 mg L -1使用工程藍藻細胞工廠，涉及代謝工程和 HDC 的組合策略。產量與異養酵母Y. lipolytica相當，甚至高于酵母S. cerevisiae 以葡萄糖為原料。這些結果強烈表明，使用這種藍藻細胞工廠生產 PLA 是有希望的。
此外，我們的藍藻產生的PLA的分子量高于大腸桿菌和酵母等異養菌株產生的PLA的分子量。許多方面影響分子量，包括活性PHA合酶、酯酶和脂肪酶的類型和表達水平，以及聚合過程中的鏈轉移反應。以前的研究表明，藍藻是天然的 PHB 聚酯生產者。因此，天然的細胞內環境可能更適合 PLA 的聚合。例如，藍藻中高豐度的 ATP 可以促進許多酶促步驟中產物的生物合成，如聚合反應步驟。此外，藍藻的細胞大小一般比其他細菌大，直徑通常為3～10 μm，最大可達60 μm。這些較大的細胞尺寸也可以容納較大的 PLA 顆粒，因為它們以包涵體的形式存在于微小的細胞內空間中。因此，有理由得出結論，藍藻細胞工廠是高效生產聚合物（如 PLA 類聚酯）的有前景的平臺。
在這項研究中，我們結合代謝工程和 HDC ，開發了一種用于直接從 二氧化碳 生產 PLA 的藍藻細胞工廠。進行多組學分析以探索影響PLA生產的因素。通過優化關鍵酶（PCT 和 PHA 合酶）的表達水平，同時使用小 RNA (sRNA) 敲除四個用于將碳通量重定向到 PLA 生物合成的基因，PLA 的產量顯著增加。然后，使用 HDC 策略進一步提高了 PLA 的生產。與最初構建的菌株相比，PLA的總產量增加了270倍，產生108.0 mg L -1 PLA（相當于23.0 mg g-1 DCW）。
2.用于生產 PLA 的藍藻細胞工廠工程
PDLA 是提高 PLA 基材料的耐熱性、機械性能和耐水解性的重要原料。聚( L-乳酸)(PLLA)和PDLA可以形成具有高熔點的立體絡合物(SC)晶體，可用于合成高性能的PLA。此外，其PDLA 生物合成不涉及金屬催化劑，因此適用于制藥和醫療行業。令人驚訝的是，體內PDLA 生產的最高報告平均分子量在本研究中獲得。根據先前的研究，當 PDLA 的數均分子量 ( M n ) 在 23 至 50 kDa 范圍內時，獲得了最高的熔解峰。藍藻生產的 PDLA的Mn在最佳范圍內，可以促進其在高性能 PLA 生產中的應用，并賦予相應產品額外的商業價值。
根據之前的研究，連同分析，PHA 合酶在影響聚合物的生產和分子量方面起著至關重要的作用。因此，PHA 合酶的工程化有助于提高 PLA 的產量。此外，眾所周知，共聚是改善聚合物性能的有效策略。例如，PHB 有脆性的缺點，而 P(3HB - co -LA) 共聚物由 3-羥基丁酸酯 (3HB) 和乳酸 (LA) 組成，表現出更好的柔韌性，以及其他有利的物理和機械性能。特性。PLLA和PDLA的立體絡合物可以顯著提高PLA的耐熱性和力學性能。聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA) 是最有效的可生物降解聚合物納米粒子之一，可用作癌癥藥物遞送系統。
為了實現共聚，還需要對 PHA 合酶進行工程改造以聚合各種底物。因此，PHA合酶的工程化值得探索，可以進一步提高聚合物的產量，加速商業化。
3.結論及產業化
在這項研究中，我們開發了一種光驅動的自養藍藻細胞工廠，可以直接從二氧化碳生產可生物降解的塑料 PLA 。與最初構建的菌株相比，系統代謝工程和高密度培養策略的結合顯著提高了 PLA 產量約 270 倍。同時，引入聚電解質絮凝劑，高效、簡便、快速地收獲細胞。藍藻生產的 PLA 與異養微生物的生產能力高度可比，此外，本研究中藍藻產生的 PLA 的分子量甚至高于異養生物產生的 PLA?？紤]到其對未來生產高性能共聚物的工程的可用性和實用性，我們的方法可能具有商業化生產的巨大潛力?？傮w而言，我們的研究提供了一種可行的替代解決方案來同時解決塑料污染和過量的二氧化碳排放問題。
據悉，對于未來的進一步發展，該團隊表示下一步的研究重點是提高 PLA 的細胞干重占比，擬將細胞干重的比例進一步提升到 50% 以上。
論文通訊作者陶飛表示，一方面，用蛋白質工程的方法對關鍵酶進行改造?！拔覀儼l現酶的催化性能存在一些問題，目前已經用 AlphaFold2 把它的結構預測出來了，正在進行深入的蛋白質工程研究。接下來，我們將重點研究如何提高它對前體物質的親合力以及 PLA 鏈聚合速度，以實現提高酶的催化效率，讓 PLA 的整體產能更高?！彼f。
另一方面，為工業化生產做準備。該團隊希望能把細胞底盤的魯棒性進一步提升，包括系列耐受性，例如耐高光、抗污染、耐鹽等能力。此外，在產品中試之前，該團隊還計劃針對細胞的自絮凝進行相關研究。
對于該技術的未來發展，該團隊也有清晰的規劃。陶飛表示，“我們計劃通過 3-5 年的持續投入，進行中試和全鏈條的優化，將各方面指標提升至工業化水平?！?/p>
來源：生物降解材料研究院